多喷嘴冲击式水轮机转轮的三维建模与强度分析

论文摘要

冲击式水轮机的内部流动和破坏机理相当复杂，其流动为三维、非稳态、紊流，其特点是流动具有自由流面，并受旋转力的影响，对于其中的很多细节，至今仍不甚了解，在喷嘴数较多的情况下，转轮及机壳中的水流运动情况将更加复杂。本文对多喷嘴冲击式水轮机的转轮进行三维建模并利用CFD技术，对水斗内稳定的和具有自由表面的流动进行了数值模拟并得到了满意的结果。在分析多喷嘴冲击式水轮机的流动理论的基础上，并建立了转轮及喷嘴的三维模型，利用FLUENT流动分析计算软件，得到了单个水斗工作面上的流体质点的运动轨迹，这一成果为转轮型线的优化设计提供了科学依据。同时，在国内首次根据水斗缺口处有无排流的情况，确定出多喷嘴情况下的最优水斗数目，其思想和方法是对多喷嘴冲击式水轮机转轮水斗数的确定的重要贡献。本文还计算得出了多喷嘴冲击式水轮机转轮水斗的水流运动轨迹以及机壳内部的压力分布规律，这一成果为机壳的补气和尾水高度的设置提供了依据：并得到了相邻射流间无水流干涉的结论，因而建议在喷嘴结构设计上无须再设置挡流板。最后根据喷嘴和转轮的三维模型，利用ANSYS软件，分别确定了水斗的应力分布以及最高应力值点，以及转轮和喷嘴的自振频率和振形图谱，这为多喷嘴冲击式水轮机转轮水斗的强度设计提供了依据，并对转轮和喷嘴的振动研究具有十分重要的指导意义。

论文目录

• 中文摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 课题来源
• 1.2 课题的研究目的和意义
• 1.3 国内外研究状况及发展趋势
• 1.4 本课题的主要研究内容及技术路线
• 第二章 多喷嘴冲击式水轮机的设计理论
• 2.1 多喷嘴冲击式水轮机的流动解析
• 2.2 多喷嘴冲击式水轮机的参数确定
• 2.3 多喷嘴冲击式水轮机结构设计
• 2.4 多喷嘴冲击式水轮机运行中出现的问题简述
• 第三章 多喷嘴冲击式水轮机的三维模型建立
• 3.1 三维模型建立的基本思想
• 3.2 单个水斗及转轮的三维造型
• 3.3 喷嘴的三维造型
• 第四章 单个水斗内部流场计算
• 4.1 CFD的理论基础与求解过程
• 4.2 流动区域的构建及边界条件的设置
• 4.3 内流场流动分析
• 第五章 多喷嘴冲击式水轮机的流动分析
• 5.1 流动区域的构建及边界条件的设置
• 5.2 内流场流动分析
• 第六章 多喷嘴冲击式转轮应力分析计算
• 6.1 冲击式转轮强度计算的基本理论
• 6.2 求解器的选择
• 6.3 应力计算的步骤及结果分析
• 第七章 喷嘴与转轮的模态分析
• 7.1 模态分析的基本理论
• 7.2 模态分析的步骤及结果分析
• 第八章 结论与展望
• 参考文献
• 作者在读期间科研成果简介
• 致谢